Молекулярна биология и генетика Молекулни основи на наследствеността

Молекулни основи на
наследствеността.
Нуклеинови киселини
Молекулярна биология
и генетика

Наследствеността е свойство на организмите да
предават белези в потомството си.
С формирането на понятието наследственост се
поставят основите на генетиката като наука.
Различават се три основни етапа в историята на
генетика:
–1850г. -1900г. – клетки и хромозоми;
“Менделов етап”
–1900г.-1940г. – хромозоми и гени; “Морганов
етап”
–1940г. – до днес - гени, нуклеинови киселини
и протеини; “ Съвременен етап”.
Като четвърти етап може да се отбележи
“Постгеномна ера” от 2000г.- до днес /разчитане
на човешкия геном/.
1822г.-1884г.

1928 - Frederick Griffith описва
трансформация при бактерии.

Преди “Съвременния етап” :
Грифит открива
фактор, който
може да
трансформира
безобидни
бактерии
Pneumococcus
(груб, nonvirulent)
в болестотворни
бактерии (гладка,
virulent).

През 1943, Avery, McCarty and MacLeod
установяват, че трансформиращия фактор е ДНК.

Структура на НК
Всеки нуклеотид се състои от:
–Монозахариден остатък-
дезоксирибоза в ДНК и
рибоза в РНК;
–Азотна база от пуринов или
пиримидинов произход;
–Фосфатна група.
Нуклеотид е
нуклеозид с една
или повече
фосфатни групи.
Мономерната единица на всяка нуклеинова киселина е
нуклеотид.

Два типа азотни бази участват в състава на нуклеиновите
киселини- пуринови и пиримидинови бази
Пуриновите бази са изградени от
два пръстена- 6-атомен
пиримидинов и 5-атомен
имидазолов пръстен.
Пуринови бази са аденин (А) и
гуанин (Г).
Пиримидиновите бази са изградени
само от един 6-атомен
пиримидинов пръстен.
Пиримидиновите бази, които
влизат в състава на ДНК са цитозин
(Ц) и тимин (Т).
РНК съдържа същите пуринови
бази и пиримидиновата база
цитозин, но вместо тимин съдържа
урацил (У).

Структура на ПНВ
Всяка азотна база се свързва с 1’-С от
монозахаридния остатък, чрез N-
гликозидна връзка.
Чрез фосфатната група, два съседни
нуклеотиода се свързват помежду си,
образува се фосфодиестерна връзка
между 5’-С на единия монозахариден
остатък и 3’-С на другия монозахариден
остатък.
Тази връзка определя и посоката на
полинуклеотидната веригата, като
единия край е 5’-Ф, а другия 3’-ОН.
Образува се пентозофосфатен скелет, от
които навън са разположени азотните
бази.
Нуклеотидната последователност в полинуклеотидната
верига се означава като ДНК/РНК секвенция (първична
структура).

В “Съвременен етап” по-значими събития са:
1952г. - Alfred
Hershey и Martha
Chase категорично
доказват, че
носител на
наследствената
информация е ДНК,
чрез следния си
опит.

През 1953г. Джеймс Уотсън и Френсис Крик
предлагат модел за структурата на ДНК
Използват изследванията на Ъруин
Чаргаф за базовия състав на ДНК и
съставените от него правила:
–Равенствата (А) = (Т); (Г) = (Ц);
(пурини) = (пиримидини) са в сила за
всички ДНК;
–съотношението [(А) + (Т)] / [(Ц) + (Г)]
е различно при различните видове.
Рентгенодифракционните профили на
ДНК получени от Морис Уилкинс и
Розалин Франклин, показват спирална
структура и също са основа за модела на
ДНК предложен от Крик и Уотсън.

Според модела на Крик и Уотсън, ДНК се състои от две
полинуклеотидни вериги с антипаралелен ход, свързани чрез
водородни връзки между азотните бази (вторична структура).
Свързването на базите е
строго определено, винаги
съгласно правилото за
комплементарност на
базите.
Аденинът винаги се свързва
с тимин чрез две водородни
връзки (А = Т).
Гуанинът винаги се свързва
с цитозин чрез три
водородни връзки (Ц = Г).

Двете полинуклеотидни вериги на ДНК молекулата са с
антипаралелен ход.
При образуване на двойната спирала се образуват малка и
голяма бразда на един оборот на спиралата.

В клетката нормално се срещат В и Z-формата на ДНК.
Прехода на ДНК от В в Z-форма има отношение към
регулация на генната експресия, клетъчния цикъл и
диференциация.
Формата на ДНК зависи от разположението на базите към
захарофосфатния скелет, конформацията на базите-syn и
anti.

Пиримидиновите бази са в anti-конформация, като
базата е разположена перпендикулярно на
захарофосфатния скелет и при двете форми.
При прехода В  Z-форма на ДНК се наблюдава
завъртането на пуриновите бази в syn-конформация,
докато пиримидиновите бази остават в anti-
конформация.

Моделът на ДНК описан от Крик и Уотсън е В-формата на ДНК,
която е най-широко разпространена.
Чрез рентгеноструктурен анализ е установено, че при различни
условия in vitro, могат да се наблюдават четири типа спирали-А,
В, С и Z.
ДНК-
форма
Нд. на
едни
оборот
Диаметър
на
спиралата
%
релативна
влажност
Солева
концентрация
Въртене
на
спиралата
А 11.0 2.3 nm 75 Висока Дясно
В 10.4 2 nm 92 Ниска Дясно
С 7.9-9.6 1.9 nm 66 Висока Дясно
Z 12.0 1.8 nm Висока Ляво

Нуклеотидни последователности
(ДНК секвенции)
Определение- последователност от
нуклеотиди в едната верига на ДНК
Видове:
Уникални –
5’AGGCAAGCCAAGTTAGA3
Повторени-умерено’
и многократно; тандемно и нетандемно
5’ACGGACGGACGG3’
5’ACCGACGGTTGGTACACGG3’
GenBank (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/).

Уникална Нуклеотидна секвенция на гена
MCA1(дрождева каспаза). Обхваща 1299
нуклеотидни бази.
5’
3’

Денатурация на ДНК (стопяване) – разделяне на
двете полинуклеотидни вериги, чрез разрушаване на
водородните връзки между базите
При по - високо
съдържание на
едноверижна ДНК,
се повишава
абсобцията при
дължина на вълната
260 nm –
хиперхромен ефект.

Температурата при която 50% от ДНК е денатурирана
се означава като температура на топене – Тm
(melting temperature).
Тm = 2x(nAT)+4(nGC).

Tm e функция на йонната
сила на разтвора и
нуклеотидната секвенция
на ДНК. Tm нараства
линейно с увеличение
количеството на ГЦ -
нуклеотидните двойки.
 Тm = 2x(nAT)+4(nGC).
(Tm е 86
0
при 40%ГЦ; 0,4
0
за 1%)
Денатурацията на ДНК e обратима – ренатурация
(реасоциация) при понижаване на температурата до 60-70
0
.

Скоростта на реасоциация зависи от нуклеотидния
състав и се описва с уравнението:
C/Co = 1/ (1+k.Cot)
Сo – концентрация на тоталната едноверижна ДНК при t=0 sec
C - концентрация на едноверижна ДНК при определено време
след започване на реасоциацията.
Кривата на реасоциация представена в логаритъм:

Кинетиката на ренатурация позволява да се определи
размера на генома в брой нуклеотидни двойки (н.д.)

Размерът на генома при различните систематични групи
организми, определен с помощта на Xc.

Логаритмична крива на реасоциация при еукариоти и прокариоти
Разликите в log криви се дължат на различните типове
секвенции по дължината на еукариотната ДНК.
описани са различни типове ДНК секвенции. Те се различават
по процента в про и еукариоти, степен на повторяемост, както
и по скоростта на ренатурация.
Геномът на прокариоти съдържа основно един тип секвенции
(предимно нуклеотидна последователност отговаряща на структурен ген).

Сирийски хамстер
Aspergillus
E. coli
10
-6
10
0
10
1
10
2
10
3
10
4
10
5
100%
50%
0%
д
е
н
а
т
у
р
а
ц
и
я
logCot